Om indflydelsen af grafitbelægning på højledende materialer

Termiske analyseteknikker som Laser/Light Flash Analysis (LFA) giver uvurderlig indsigt i materialers opførsel under varierende temperaturforhold. Til præcis måling af termofysiske egenskaber som f.eks. Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet har LFA-metoden vist sig at være en hurtig, alsidig og præcis absolut metode.

I denne blogartikel vil vi fokusere på betydningen af at bruge grafitbelægning i LFA-målinger, især for højledende prøver som kobber eller aluminium. Lad os udforske grafits rolle i forbedringen af LFA-målingernes nøjagtighed og forstå, hvordan man optimerer belægningen til forskellige materialeegenskaber.

Grafen viser signalvej og kurvetilpasning for en aerogel i en laserblitzanalysetest, der er relevant for materialekarakterisering.

Hvorfor bruge grafitbelægning?

Grafitbelægninger tjener flere formål i LFA-målinger. De forbedrer prøveoverfladens emissions- og absorptionsegenskaber og sikrer et bedre signal/støjforhold for detektoren. Det resulterer i mere nøjagtige målinger. Desuden er grafit ikke-reflekterende. Det minimerer interferens under analysen og giver pålidelige data til videre analyse.

Grafitlagets indflydelse på den termiske modstand

For standardprøver som polymerer eller keramik, der har lav Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne, er grafitlagets indvirkning ubetydelig sammenlignet med prøvens høje termiske modstand. I sådanne tilfælde er et tyndt grafitlag på nogle få mikrometer tilstrækkeligt.

Men for meget ledende materialer som kobber eller aluminium, med kortere måletider under ca. 150 millisekunder, kan grafitlaget have betydelig indflydelse på resultaterne. Derfor bør valget af grafitbelægninger skræddersys ud fra de specifikke mål for målingen.

Belægning af højledende prøver til måling af Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet

Den ideelle måde at belægge en højledende prøve med grafit på afhænger af, hvilken materialeegenskab der skal bestemmes. Når man måler Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet af højledende materialer som kobber (Cu) eller aluminium (Al) med kort varighed (se figur 1), er det velegnet at bruge ingen grafit eller kun en small mængde (som et "touch") af grafit. Denne tilgang minimerer grafitlagets indvirkning på målingen og sikrer nøjagtige resultater.

Graf, der illustrerer forholdet mellem termisk diffusivitet og halveringstid i laserblitzanalysemålinger. — Figur 1: Den termiske diffusivitet afhænger af halveringstiden.

Belægning af højledende prøver til måling af Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet

Ved målinger af Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet er målet at sammenligne den maksimale stigning i signalet mellem prøven og referencen. For at opnå dette skal både prøven og referencen have de samme emissions- og absorptionsegenskaber. For at opnå dette er et komplet grafitlag afgørende.

Grafen viser forholdet mellem temperaturstigning (ΔT) og tid (t) for målinger af specifik varmekapacitet i laserblitzanalyse. — Figur 2: For at måle den specifikke varmekapacitet er den maksimale stigning i signalet interessant.

Undersøgelse af grafitbelægning på kobberprøve

For at demonstrere indflydelsen af forskellige grafitbelægninger på den termiske diffusivitet og specifikke varmekapacitet for højledende materialer blev en kobberprøve analyseret. Kobber er et almindeligt standardmateriale med kendte værdier for Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet.

NETZSCH STA 509 Jupiter Select er et topmoderne termisk analyseinstrument, der forbedrer energieffektiviteten i materialekarakterisering. — Figur 3: Grafitbelægningens indflydelse på den termiske diffusivitet

Undersøgelsen omfattede tre grupper af belægningstyper:

Blank prøve: Uden grafitbelægning forbliver signalet lavt på grund af minimal energitilførsel.
Berøring af grafit: Resultatet opfylder litteraturværdien inden for ± 3 %.
Komplette grafitlag: Hvert ekstra lag medfører et fald i den termiske diffusivitet

Grafen viser, hvordan antallet af grafitlag påvirker den termiske diffusivitet, idet flere lag resulterer i lavere værdier. — Figur: Resultater for måling af den termiske diffusivitet: Hvert ekstra grafitlag påvirker den målte termiske diffusivitet - flere lag grafit viser et fald i den termiske diffusivitet.

Indflydelse på Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet

Til bestemmelse af specifik varme er et dækkende grafitlag nødvendigt for at nå et rimeligt maksimum. For yderligere lag forbliver maksimum på samme niveau og vil derfor ikke forbedre resultaterne.

Grafen viser effekten af grafitlag på termisk diffusivitet i højledende materialer; kun ét lag forbedrer resultaterne markant. — Tal: Resultater for måling af den specifikke varmekapacitet: Det er kun nødvendigt med et enkelt dæklag for at opnå den maksimale T_max; flere lag vil ikke påvirke resultatet.

Forskellige mål, forskellige belægninger! Optimering af grafitbelægning

Kort sagt skal belægningen af højledende prøver med grafit justeres ud fra den specifikke materialeegenskab, der skal måles. Til målinger af Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet med kort varighed er en minimal mængde grafit tilstrækkelig. Men til målinger af Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet er et komplet grafitlag afgørende for at sikre nøjagtige og ensartede resultater.

I tilfælde, hvor både den termiske diffusivitet og den specifikke varmekapacitet skal bestemmes, anbefales det at opdele undersøgelserne i to separate målinger. Mål først den termiske diffusivitet med et strejf af grafit, og rens derefter prøven, før du påfører et komplet grafitlag for at måle den specifikke varmekapacitet.

Ved at forstå og optimere grafitbelægningen kan forskere maksimere nøjagtigheden og pålideligheden af Laser Flash Analysis-målinger, hvilket i sidste ende fører til bedre indsigt i materialets opførsel og ydeevne.